目前大多数应用将WebSocket协议集成在应用系统中，实现消息的主动推送功能，但是该协议属于长连接，过多的连接会占用系统内存以及服务器带宽，导致推送服务影响业务的正常运行［11-12］。
本文开发一套独立于应用系统的WebSocket消息推送系统，提供规范化的开发接口为各种应用系统提供消息推送服务，消息推送系统会维持与客户端的连接，应用系统在消息通知场景则不用再与客户端直接通信，而是将消息发给消息推送系统，由系统转发给客户端。此系统能提高消息实时性，降低开发和维护成本。
1 系统概要设计与需求分析
1.1 概要设计
总体设计思路是开发一个独立的消息推送系统，提供开放接口供应用系统调用。在需要消息推送的场景，客户端先与消息推送系统建立连接，获取唯一标识，再和应用系统建立与业务相关的HTTP连接并携带标识，应用系统对于同步消息直接响应，对于需主动推送的消息通过开放接口发送给消息推送系统，消息推送系统根据接口中标识发送到对应的客户端，即使客户端由于网络波动离线，也可在下次连接时补发消息。考虑到系统将长时间维护大量的连接，系统选用Golang语言来开发，其协程的特性［13］能以极小的内存维持单个连接。在推送系统中维护一个客户端连接池，用来管理所有连接到推送系统的客户端，对外提供标准的开放接口，供应用系统与客户端调用，用于消息推送功能。应用系统、客户端以及消息推送系统之间通信流程如图1所示。
<G:\武汉工程大学\2024\第2期\徐智勇-1.tif>[应用系统][客户端][消息推送系统][1. 发送连接][2. 生成连接
标识][3. 连接成功，
返回连接标识][4. 监听通道][7. 根据标识找到
连接，发送消息][5. 告知应用
系统标识][6. 对指定连接
发送消息]
图1 应用系统、客户端以及消息推送系统通信流程
Fig. 1 Communication process of application system，
client，and message push system
1.2 功能性需求分析
WebSocket消息推送系统的功能主要包括心跳检测功能、离线消息补发功能、安全加密功能和消息推送功能。（1）心跳检测功能。WebSocket消息推送系统与客户端之间使用长连接，需要定期发送报文告诉对方“我还活着”［14］。若双方心跳正常则保持连接，否则执行以下方案：（a）若服务端未检测到客户端心跳，主动关闭与客户端的连接；（b）若客户端未检测到服务端心跳，则向服务端发起新的请求。（2）离线消息补发功能。离线消息补发可以在用户重新连接系统时，将用户在离线期间错过的消息重新发送给用户，以保证用户获得完整的消息推送服务。离线消息补发的实现主要涉及消息的存储，以及消息的恢复和发送。当用户离线时，需推送的消息将被存储在关系型数据库MySQL中，并记录消息的相关信息，当客户端重新连接系统时发送给客户端。（3）安全加密功能。在消息推送系统推送一些敏感数据时，需对该数据进行加密处理，防止在传输链路中被窃取。为保障消息传输过程中数据机密性、数据完整性，系统将结合中国剩余定理进行打包加密处理。（4）消息推送功能。消息推送是该系统的核心功能。客户端需要和推送系统建立连接，并保持连接的状态。在建立连接后，推送系统将给客户端分发客户端标识或客户端自行携带标识在系统中注册，以便系统能够将消息推送给正确的客户端。系统将提供接口，用户可根据接口参数，对指定客户端标识发送消息，消息格式支持字符串、数字以及对象，消息是否成功发送以及客户端标识是否在系统中注册，系统都将返回对应状态码以及错误信息。
2 系统总体设计
2.1 架构设计
根据上述的功能性分析，消息推送系统分为公共模块以及业务模块。公共模块为系统提供基础功能，业务模块提供系统主体功能。PC端与移动端可以通过接口进行WebSocket连接，应用系统可通过接口做相应的业务处理，最后离线消息以及历史消息将存储在MySQL数据库中［15］。系统架构图如图2所示。
系统架构分为3层。访问层指的是用户可以通过什么设备接入系统。服务层由公共模块和业务模块组成，公共模块为服务提供基础功能，如日志采集模块引入日志存储，起业务溯源作用，业务模块则对应不同的功能。资源层是关系数据库，系统采用MySQL数据库存储离线消息和历史消息。
<G:\武汉工程大学\2024\第2期\徐智勇-2.tif>[访问层][服务层][资源层][PC端][移动端][应用系统][公共
模块][日志采集模块][任务调度模块][配置管理模块][雪花算法模块][跨域模块][路由模块][业务
模块][心跳检测模块][消息推送模块][历史消息模块][连接管理模块][离线消息模块][安全加密模块][MySQL数据库]
图2 系统架构图
Fig. 2 System architecture diagram
公共模块包括日志采集模块、配置管理模块、跨域模块、任务调度模块、雪花算法模块和路由模块。
（1）日志采集模块：系统引入日志库来实现便利的日志采集与管理，其完全兼容标准库记录器，将日志分为3个等级（info、warn以及error），设置日志文件保存时间以及大小，格式化日志信息保存在文件夹中。日志采集将记录接口调用日志、数据库操作日志以及连接管理日志等。
（2）配置管理模块：支持配置统一管理，系统将解析配置文件保存在全局变量中，配置包括系统运行的端口、日志存储路径、雪花算法以及数据库配置。
（3）跨域模块：通过设置HTTP请求头中的AllowOrigins、AllowMethods、AllowHeaders以及AllowCredentials字段来快速地设置系统的跨域规则，并集成在路由中间件中。
（4）任务调度模块：为心跳检测模块提供基础功能，通过创建周期性定时器，系统堵塞地监听定时器的通知，当通道接收到定时器的通知时，便会告知心跳检测模块定时时间到。
（5）雪花算法模块：生成严格递增的随机数序列，用作客户端的唯一标识，在连接管理模块中使用。
（6）路由模块：采用Gin设计，Gin是一个HTTP Web框架，提供路由、参数校验、中间件服务等功能［16］。在路由模块中设置接口路由地址的具体方法在下文的接口设计中介绍。
2.2 数据库设计
在WebSocket消息推送系统中，离线消息和历史消息均存储到数据库中，以便用户在需要时进行查询和获取。
离线消息是指在用户离线期间，系统发送给用户的消息。离线消息需要存储在数据库中，以便用户在重新登录后可以查看。离线消息的数据库设计如表1所示。后续会根据具体的需求进行调整和优化，比如，添加更多的字段、消息类型、消息优先级、消息附件等。
表1 离线消息表字段
Tab. 1 Offline message table fields
[字段 数据类型 是否主键 含义 id bigint 是 主键 client_id varchar (100) 否 消息接受者标识 msg longtext 否 消息内容 send_time datetime 否 消息发送时间 status int (3) 否 消息的状态，已读 ]
2.3 接口设计
合理的接口设计可以提高系统的易用性、可扩展性和可维护性，同时也可以降低开发成本和技术风险，规范的接口设计能大大减短开发者的开发周期。在WebSocket消息推送系统中，接口设计遵循表述性状态转移（representational state transfer，REST） 架构，其优点是结构清晰［17］。消息推送系统接口如表2所示，其中WebSocket请求协议的接口由客户端调用，HTTP请求协议的接口由服务端调用。
消息推送系统接口参数如表3所示，客户端连接接口、连接关闭接口以及查询历史信息接口在请求路径中携带参数，发送消息接口的请求参数则以对象格式放在请求体中。
接口异常处理是保证系统稳定及可用性的重要环节。接口异常大致可分为3类：请求异常、服务器异常以及安全异常。请求异常包括请求超时、请求被拒绝、请求参数错误等，服务器异常包括业务错误、连接失败等，安全异常包括身份验证失败、权限不足等。
对于请求超时情况，客户端应设置超时时间，当服务端超时未响应时，做重发处理。
请求被拒绝情况一般发生在跨域请求场合，此时应联系管理员将域名添加进白名单内。
对于请求参数错误或业务错误情况，服务端以错误码的形式响应客户端并说明原因。常用的错误码包括请求参数错误、客户端不存在以及用户未登录等。
对于安全异常情况，要求用户发起请求时携带身份信息，若身份非法，则拒绝访问。
3 系统功能实现
3.1 心跳检测功能
心跳检测的目的是确保当前的连接都是在线的。在程序初始化时，系统创建一个协程，该协程内部创建一个周期性触发的定时器，当定时器触发时，定时器会往通道发送消息，系统持续监听该通道，当通道接收到消息时表明时间间隔周期到达，系统会给所有在线的连接发送心跳消息，以达到心跳检测的目的。其流程实现如图3所示。
3.2 安全加密功能
安全加密模块主要对信息进行加密处理，防止信息在传输链路上被窃取。系统将信息按时间分为一组，结合中国剩余定理的加密算法将一组信息打包加密成一个密文，各个用户使用独立的密钥解密出自己的明文，具有较高的效率。
定理1 质数有无穷多个。
定理2 （质数定理） 设[πα]为不超过[α]的质数个数，则
[limα→∞πααlgα=1]
定理1和定理2说明质数数量无限但分布不均匀，质数分布稀疏，因此攻击者要搜索一个大质数是很困难的。
定理3 （中国剩余定理）［18］[m1,m2,?,mk]是[k]个两两互质的正整数，[m=m1m2?mk]，[Mi=mmi]，[i=1,2,?,k]，则同余式组
[x1≡b1modm1, x2≡b2modm2, ?, ]
[xk≡bkmodmk]
的解是
[x≡M1-1M1b1+M2-1M2b2+?+]
[Mk-1Mkbkmodm] （1）
其中[Mi-1Mi≡1modmi]，[x]为加密消息。
根据上述定理，设计一个同时具备压缩功能和加密功能的方案。假设当前客户数量是k，每个客户对应的推送消息是bi，系统为每个客户生成一个互不相同的质数mi作为客户与推送服务器的共享密钥。推送服务器利用式（1）生成x，并将x推送到k个客户端，客户端通过模密钥运算计算出对应消息，实现保密功能。推送服务器只需存储加密后的消息x，实现压缩功能。其加密流程图如图4所示。
客户端第一次请求WebSocket消息推送系统时，系统生成一个新的质数，作为客户端的加密密钥登记保存，同时将该质数发送给客户端作为解密密钥。消息推送系统定期打包信息，利用式（1）计算出x发送给客户端。客户端接收到x后，可利用传来的密钥计算出原始信息。
3.3 消息推送功能
每当客户端发起连接时，系统将创建一个客户端对象来保存本次连接的相关信息，在创建客户端对象的同时，系统还创建一个协程监听来自该连接的消息，并对各种异常进行处理。客户端对象定义如表4所示。其中LastMsgTime属性以及LastHeartTime属性用于连接健康监测，对于长时间未收发的不活跃连接以及心跳检测未通过的连接做断开、销毁处理。
程序初始化阶段，消息推送系统创建全局客户端管理者，用于管理客户端对象。客户端管理者定义如表5所示，其中的ClientMap键为客户端标识，值为客户端对象，存储格式是哈希表。因为存储涉及多协程并发操作，所以需要给该哈希表添加读写锁。其中还有两个通道，分别处理连接、断开事件。客户端管理者所拥有的私有函数如表6所示。
表4 客户端对象定义
Tab. 4 Client object
[属性名 数据类型 含义 ClientId string 客户端标识 Socket websocket.Conn 用户连接 ConnectTime uint64 首次连接时间 LastMsgTime uint64 最后一次收发消息时间 LastHeartTime uint64 最后一次心跳检测时间 ]
表5 客户端管理者定义
Tab. 5 Client management objects
[属性名 数据类型 含义 ClientMap map[string]Client 管理的全部连接 ClientMapLock sync.RWMutex 读写锁 Connect chan Client 连接通道 DisConnect chan Client 断开通道 ]
当应用系统发起消息推送请求后，系统处理该请求的主流程如下：
（1）控制层接收到消息推送请求后，对该请求进行参数校验，并序列化为对象，若参数传递错误则直接返回错误码与错误信息。
（2）校验通过后，将该请求传递到相对应的业务逻辑层。
（3）在业务逻辑层中，系统从客户端管理对象中调用GetClientByID函数，获得相对应的客户端连接。
（4）若连接不存在，则将需推送的消息存入离线消息数据库中。若连接存在，则获取对应的客户端连接。
（5）获取到对应客户端连接后，通过内部属性Socket获取客户端地址，调用其私有函数，实现消息推送功能。
4 系统功能测试
将消息推送系统结合第三方支付系统以及商品端的应用系统进行全面的功能测试。主要测试用例为是否能完成正常的消息推送流程。
支付通知大体流程如下：客户端购买商品、应用系统对接第三方支付系统、完成订单支付、接收到订单信息以及商品信息的消息通知，如图5所示。
建立WebSocket连接后，可在浏览器页面按下F12打开检查台，在网络选项中查看连接状态以及交互信息。客户端能收到由消息推送系统推送的来自服务端的支付结果通知。
经测试，系统完成了消息推送功能，其规范的接口设计以及离线消息、心跳检测功能为系统带来了易用性以及可靠性。
5 结 论
本文开发了一套基于WebSocket协议且独立于应用系统的消息推送系统，可解决第三方服务通过回调地址接收的消息通知无法及时响应客户端的问题。应用系统将时延消息发送至消息推送系统，再由该系统推送至客户端，大大提高了消息推送的可靠性，保证了消息在传输链路中的安全性，同时也减少了应用系统资源的开销，并可帮助开发者缩短开发周期、降低开发和维护成本。